三、脂肪酸代谢
脂肪酸是具有长碳氢链和一个羧基末端的有机化合物的总称。自然界有40多种不同的脂肪酸，它们是脂类的关键成分。许多脂类的物理特性取决于脂肪酸的饱和程度和碳链的长度，其中能为人体吸收、利用的只有偶数碳原子的脂肪酸。
（一）脂肪酸的分类
脂肪酸根据其碳链长度、碳氢链饱和与不饱和状况以及营养角度进行不同的分类。
1.根据其碳链长度分类：脂肪酸根据其碳链长度的不同又可将其分为三类。短链脂肪酸（short chain fatty acids，SCFA），其碳链上的碳原子数为4～6，也称作挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFA）；中链脂肪酸（mid chain fatty acids，MCFA），其碳链上碳原子数为8～12，主要成分是辛酸（C8）和癸酸（CIO）；长链脂肪酸（long chain fatty acids，LCFA），其碳链上碳原子数大于12，通常长链脂肪酸含14～18个碳原子，也有含20个或更多碳原子的超长链脂肪酸。
2.按照饱和度分类：脂肪酸根据碳氢链饱和与不饱和的不同可分三类：①饱和脂肪酸（saturated fatty acids，SFA），碳氢上没有不饱和键。②单不饱和脂肪酸（monounsaturated fatty acids，MUFA），其碳氢链有1个不饱和键。③多不饱和脂肪（polyunsaturated fatty acids，PUFA），其碳氢链有2个或2个以上不饱和键。富含单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸组成的脂肪在室温下呈液态，大多为植物油，如花生油、玉米油、豆油、坚果油（即阿甘油）、菜籽油等。以饱和脂肪酸为主组成的脂肪在室温下呈固态，多为动物脂肪，如牛油、羊油、猪油等。但也有例外，如深海鱼油虽然是动物脂肪，但它富含多不饱和脂肪酸，如20碳5烯酸（EPA）和22碳6烯酸（DHA），因而在室温下呈液态。
3.按营养角度分类：按照对机体的需求角度脂肪酸可分为必需脂肪酸（essential fatty acid，EFA）和非必需脂肪酸（non essential fatty acid，NEFA）两类，EFA是指人体健康和生命所必需的，机体自己不能合成，必须通过食物供给的脂肪酸，主要有亚麻酸（linolenic acid）和亚油酸（linoleic acid），都是不饱和脂肪酸，均属于ω-3族和ω-6族多不饱和脂肪酸。NEFA是机体可以自行合成，不必依靠食物供应的脂肪酸，它包括饱和脂肪酸和一些单不饱和脂肪酸。此外，花生四烯酸（arachidonic acid）在体内虽能以亚油酸为原料合成，但不能满足机体的需要，一般也属于必需脂肪酸。常见的脂肪酸见（表2-1）。
表2-1 常见的脂肪酸
续表
（二）脂肪酸的代谢
脂肪细胞中的脂肪在脂肪酶的作用下，逐步水解释放出游离脂肪酸和甘油供其他组织细胞氧化利用的过程。脂肪动员第一步是三酰甘油水解成二酰甘油及脂酸，催化该反应的酶是脂肪细胞内的一种三酰甘油酯（肪）酶，是脂肪动员的调节酶。
肝和肌肉是进行脂肪酸氧化最活跃的组织，其最主要的氧化形式是β-氧化。此过程可分为活化、转移和β-氧化三个阶段。
1.脂肪酸的活化
脂肪酸参加代谢前也先要活化。其活化形式是硫酯-脂肪酰CoA，催化脂肪酸活化的酶是脂酰CoA合成酶（acyl CoA synthetase）。脂肪酸的活化如图2-1所示。
活化后生成的脂酰CoA极性增强，易溶于水；分子中有高能键、性质活泼；是酶的特异底物，与酶的亲和力大，因此更容易参加反应。
脂酰CoA合成酶又称硫激酶，分布在胞质中、线粒体膜和内质网膜上。胞质中的硫激酶催化中短链脂肪酸活化；内质网膜上的酶活化长链脂肪酸，生成脂酰CoA，然后进入内质网用于三酰甘油合成；而线粒体膜上的酶活化的长链脂酰CoA，进入线粒体进入β-氧化。
2.脂酰CoA进入线粒体
催化脂肪酸β-氧化的酶系在线粒体基质中，但长链脂酰CoA不能自由通过线粒体内膜，要进入线粒体基质就需要载体转运，这一载体就是卡尼汀（carnitine），即3-羟-4-三甲氨基丁酸。
长链脂肪酰CoA和卡尼汀反应，生成辅酶A和脂酰卡尼汀，脂肪酰基与卡尼汀的3-羟基通过酯键相连接。催化此反应的酶为卡尼汀脂酰转移酶（carnitine acyl transferase）。线粒体内膜的内外两侧均有此酶，系同工酶，分别称为卡尼汀脂酰转移酶Ⅰ和卡尼汀脂酰转移酶Ⅱ（以下简称“酶Ⅰ”和“酶Ⅱ”）。酶Ⅰ使胞质的脂酰CoA转化为辅酶A和脂肪酰卡尼汀，后者进入线粒体内膜。位于线粒体内膜内侧的酶Ⅱ又使脂肪酰卡尼汀转化成卡尼汀和脂酰CoA，卡尼汀重新发挥其载体功能，脂酰CoA则进入线粒体基质，成为脂肪酸β-氧化酶系的底物。
图2-1 脂肪酸的活化过程
长链脂酰CoA进入线粒体的速度受到酶Ⅰ和酶Ⅱ的调节，酶Ⅰ受丙二酰CoA抑制，酶Ⅱ受胰岛素抑制。丙二酰CoA是合成脂肪酸的原料，胰岛素通过诱导乙酰CoA羧化酶的合成使丙二酰CoA浓度增加，进而抑制酶Ⅰ。可以看出胰岛素对酶Ⅰ和酶Ⅱ有间接或直接抑制作用。饥饿或禁食时胰岛素分泌减少，酶Ⅰ和酶Ⅱ活性增高，转移的长链脂肪酸进入线粒体氧化供能。脂酰CoA的跨线粒体内膜的转运如图2-2所示。
图2-2 脂酰-CoA的跨线粒体内膜的转运
3.脂肪酸的β-氧化过程
脂酰CoA在线粒体基质中进入β-氧化要经过四步反应，即脱氢、加水、再脱氢和硫解，生成1分子乙酰CoA和1个少2个碳的新的脂酰CoA。第一步脱氢反应由脂酰CoA脱氢酶活化，辅基为FAD，脂酰CoA在α和β碳原子上各脱去一个氢原子生成具有反式双键的α，β-烯脂肪酰辅酶A。第二步加水反应第一章营养物质代谢由烯脂酰CoA水合酶催化，生成具有L-构型的β-羟脂酰CoA。第三步脱氢反应是在β-羟脂酰CoA脱氢酶（辅酶为NAD+）催化下，β-羟脂肪酰CoA脱氢生成β-酮脂酰CoA。第四步硫解反应由β-酮硫解酶催化，β-酮酯酰CoA在α和β碳原子之间断链，加上1分子辅酶A生成乙酰CoA和1个少2个碳原子的脂酰CoA。
上述四步反应与TCA循环中由琥珀酸经延胡索酸、苹果酸生成草酰乙酸的过程相似，只是β-氧化的第四步反应是硫解，而草酰乙酸的下一步反应是与乙酰CoA缩合生成柠檬酸。脂酰CoA在线粒体基质中β-氧化过程如图2-3。
图2-3 脂肪酸β-氧化的反应过程
长链脂酰CoA经上面一次循环，碳链减少2个碳原子，生成1分子乙酰CoA，多次重复上面的循环，就会逐步生成乙酰CoA。
4.脂肪酸β-氧化特点及生理意义
从上述可以看出脂肪酸的β-氧化过程具有以下特点：首先要将脂肪酸活化生成脂酰CoA，这是一个耗能过程。中、短链脂肪酸不需载体可直接进入线粒体，而长链脂酰CoA需要卡尼汀转运。β-氧化反应在线粒体内进行，因此没有线粒体的红细胞不能氧化脂肪酸供能。β-氧化过程中有FADH2和（NADH+H+）生成，这些氢要经呼吸链传递给氧生成水，需要氧参加，乙酰CoA的氧化也需要氧。
脂肪酸β-氧化是体内脂肪酸分解的主要途径，脂肪酸氧化可以供应机体所需要的大量能量，以16个碳原子的饱和脂肪酸软脂酸为例，其β-氧化的总反应为：软脂酰CoA+7FAD+7NAD+7H2O→8乙酰CoA+7FADH2+7NADH+H+。
7分子FADH2提供7×2＝14分子ATP，7分子NADH+H+提供7×3＝21分子ATP，8分子乙酰CoA完全氧化提供8×12＝96分子ATP，因此1 mol软脂酸完全氧化生成CO2和H2O，共提供131 mol ATP。软脂酸的活化过程消耗2 mol ATP，所以1 mol软脂酸完全氧化可净生成129 mol ATP。脂肪酸氧化时释放出来的能量约有40%为机体利用合成高能化合物，其余60%以热的形式释出，热效率为40%，说明机体能很有效地利用脂肪酸氧化所提供的能量。
脂肪酸β-氧化也是脂肪酸的改造过程，机体所需要的脂肪酸链的长短不同，通过β-氧化可将长链脂肪酸改造成长度适宜的脂肪酸，供机体代谢所需。脂肪酸β-氧化过程中生成的乙酰CoA是一种十分重要的中间化合物，乙酰CoA除能进入三羧酸循环氧化供能外，还是许多重要化合物合成的原料，如酮体、胆固醇和类固醇化合物。